具有鉻含量不同的NiCoCrAlY雙保護(hù)層的層系統(tǒng)和合金的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明通過使用兩層的NiCoCrAlY層能夠減少在基于NiCoCrAlY層的保護(hù)作用而形成的熱生長氧化層中形成裂紋。
【專利說明】具有鉻含量不同的N i CoCrA IY雙保護(hù)層的層系統(tǒng)和合金

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種層系統(tǒng)和用于其的合金，所述層系統(tǒng)具有兩層的NiCoCrAn層，其中減少熱生長氧化層(TGO)中的開裂敏感度。

【背景技術(shù)】
[0002]在燃?xì)廨啓C(jī)的熱氣體路徑中使用鎳基和鈷基材料。然而，這些材料由于其優(yōu)化到盡可能高的強(qiáng)度而通常在熱氣體中不具有足夠的抗氧化性和抗高溫腐蝕性。因此，材料必須由適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)覆層保護(hù)以免受熱氣體侵蝕。此外，為了提高渦輪機(jī)入口溫度，還附加地將基于氧化鋯的陶瓷層施加到最高熱負(fù)荷的部件上以用于隔熱。為了實(shí)現(xiàn)盡可能高的運(yùn)行溫度和以熱氣體來加載的部件的長的使用壽命，需要一種由附著層和隔熱層組成的、優(yōu)化適應(yīng)的層系統(tǒng)。附著層的組成在此具有核心意義。
[0003]為了解決該問題，將保護(hù)層施加到最熱的部件上，部分作為用于隔熱層的附著層。這些層通常由所謂的NiC0CrAH覆蓋層構(gòu)成，所述NiC0CrAH覆蓋層除了鎳和/或鈷之外還能夠包含鉻、鋁、硅、錸、鉭和稀土金屬元素、如釔、鉿等。然而，在表面溫度繼續(xù)升高的情況下，會(huì)在保護(hù)層上造成損傷，所述損傷導(dǎo)致層失效或?qū)е赂魺釋觿兟?。通常使用錸。
[0004]然而，錸具有下述缺點(diǎn):成本因其份額而明顯提高。這在過去幾年中是尤其重要的并且也在今后具有大的意義。
[0005]在層表面的溫度升高的情況下或者在保護(hù)層的較長的使用時(shí)間內(nèi)開發(fā)一種合適的保護(hù)層，所述保護(hù)層在該邊界條件下與含錸的層相比具有改進(jìn)的、結(jié)合有足夠好的熱機(jī)械穩(wěn)定性的抗氧化性，同時(shí)具有更低的成本。這僅能夠通過保護(hù)層的非常均衡的化學(xué)組分來實(shí)現(xiàn)。尤其地，在此元素N1、Co、Cr、Al、Y是重要的。
[0006]因?yàn)檫@些元素由于擴(kuò)散也與基本材料相互作用，所以同樣需要著重考慮這種情況。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]因此，本發(fā)明的目的是解決上述問題。
[0008]所述目的通過根據(jù)權(quán)利要求1所述的層系統(tǒng)和根據(jù)權(quán)利要求14所述的合金來實(shí)現(xiàn)。
[0009]在從屬權(quán)利要求中列舉其它有利的措施，所述措施能夠任意彼此組合，以便實(shí)現(xiàn)其它優(yōu)點(diǎn)。
[0010]說明書和附圖僅代表本發(fā)明的實(shí)施例。
[0011] 通常假設(shè):由于鉻從層到與所述層相比通常具有更低的鉻含量的基本材料中的相對(duì)強(qiáng)的相互擴(kuò)散，所以層中的和基本材料中的鉻含量之間的差異不應(yīng)大于大約5%。否則會(huì)出現(xiàn)或多或少嚴(yán)重的柯肯達(dá)爾多孔性，所述柯肯達(dá)爾多孔性導(dǎo)致具有基本材料的復(fù)合層提早失效。這已經(jīng)根據(jù)所執(zhí)行的模型計(jì)算得到證實(shí)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)了所述表現(xiàn)，如對(duì)基于IN 738 LC的低鉻含量的和高鉻含量的層進(jìn)行比較所表明的那樣。
[0012]另一方面，在層的鉻含量的上限的情況下需考慮的是，在層中存在為大約13重量％鉻(Cr)的低的鉻含量的情況下，在表面上通常出現(xiàn)伴隨著“多縫開裂(MultipleCracking) ”的尖晶石形成，這同樣導(dǎo)致保護(hù)層系統(tǒng)的縮短的使用壽命。保護(hù)層的非常均衡的組成雖然已經(jīng)帶來良好的結(jié)果，但是仍不是最優(yōu)的。
[0013]由于上述原因，尋找一種兼具所有優(yōu)點(diǎn)的解決方案。
[0014]在此所提出的解決方案提出將層組成作為雙重層的組合，所述雙重層相對(duì)于迄今為止的層組成在上述問題方面具有改進(jìn)。
[0015]所描述的說明在附件中示意性地并且作為金相圖像示出。
[0016]提出一種保護(hù)層，所述保護(hù)層相對(duì)于迄今為止所使用的層具有更好的抗氧化性和良好的熱學(xué)性能并且由于替換錸而具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)。除此之外，相互擴(kuò)散行為應(yīng)是相同的或者是更好的。相對(duì)于通常的層組成，雙重層的上層具有>20%鉻、特別是>22%鉻(Cr)的鉻含量。因此，避免了 TGO中的尖晶石形成和“多縫開裂”。最上方的層中的鉻(Cr)的較高的含量具有兩個(gè)原因:一方面，雖然在固溶退火時(shí)鉻(Cr)蒸發(fā)，但是在最上方的層中保持足夠Cr存在，以便將鋁的活性保持為高的，并且另一方面鉻用作為用于穩(wěn)定的α-氧化鋁的成核劑。
[0017]雙重層的下層(朝向基本材料的邊界層)反之具有明顯更低的鉻含量，優(yōu)選為大約11重量％至16重量％鉻(Cr)。這防止在與基本材料的邊界面上的降低使用壽命的柯肯達(dá)爾多孔性。
[0018]層的其它的組成部分基于最優(yōu)份額的鎳(Ni)、鈷(Co)、鋁(Al)、稀土元素(Y，…)等，但是不包括錸(Re)。
[0019]示例:
[0020]雙重保護(hù)層至少具有:
[0021]下方的NiCoCrAH 層下層(10):
[0022]具有如下組分(以重量％說明)的NiCoCrAH保護(hù)層
[0023]Ni含量:其余
[0024]鈷(Co):22%至 26%、尤其是 23%至 25%，
[0025]鉻(Cr):11%Μ 16%、尤其是 13%,
[0026]鋁(Al):10.5%M 12.0 %、尤其是 11.5%,
[0027]釔⑴:0.2%至0.6%、尤其是 0.3%至 0.5%，
[0028]中等高的Co含量:
[0029]擴(kuò)寬β / Y場(chǎng)，避免脆性相；
[0030]中等的Cr含量:
[0031]足夠低，以便避免脆性相(α -鉻相或者σ相)并且避免柯肯達(dá)爾多孔性并且仍然保持在長時(shí)間內(nèi)的保護(hù)作用；
[0032]中等高的Al含量:
[0033]足夠高，以便附加提供Al用于保持穩(wěn)定的TGO ;足夠低，以便實(shí)現(xiàn)好的延展性并且避免脆化傾向；
[0034]低的Y含量:
[0035]足夠高，以便在低的氧污染的情況下仍足以形成Y-鋁酸鹽以用于形成含Y的“柄(pegs) ” ；
[0036]足夠低，以便使Al2O3層的氧化層生長變慢；
[0037]以及上方的NiCoCrAH 層(13):
[0038]具有如下組分(以重量％說明)的NiCoCrAH保護(hù)層
[0039]Ni含量:其余
[0040]鈷(Co): 22 % 至 26 %、優(yōu)選為 23 % 至 25 %，
[0041]鉻(Cr):23%至 25%、優(yōu)選為 24%，
[0042]鋁(Al):10.5%至 12.0%、優(yōu)選為 10.5%,
[0043]釔⑴:0.2%至0.6%、優(yōu)選為 0.3%至 0.5%，
[0044]高的Cr含量:
[0045]用于避免TGO中的尖晶石和“多縫開裂”并且改進(jìn)Al2O3的具有低的氧化率的氧化層形成；
[0046]中等高的Al含量:
[0047]Al含量相對(duì)于下層輕微下降，以便使由高的Cr含量造成的延展性的惡化最小化。
[0048]NiCoCrAlY層/合金也能夠具有其它的元素,不同的或者其它的稀土元素或者Ta、T1、Fe…，但是不具有錸(Re)。
[0049]不為上方的NiCoCrAH層13執(zhí)行單層的鉻化處理，使得因此也不存在鉻梯度，因?yàn)槭褂镁鶆蚍勰﹣硎┘訉印?br> [0050]對(duì)各個(gè)單層的試驗(yàn)結(jié)果以及熱力學(xué)的相計(jì)算已經(jīng)證實(shí):在氧化、TGO的構(gòu)成和機(jī)械特性方面存在良好的結(jié)果。
[0051]葉片上的金屬層7的整體層厚度優(yōu)選應(yīng)為180 μ m至300 μ m。
[0052]下方的層7優(yōu)選由細(xì)粉末噴涂并且上方的層13由高鉻含量的具有較粗的粉末微粒的粉末構(gòu)成，以便除了改進(jìn)氧化層構(gòu)成之外也提供必要的為Ra = 9μπι至14 μ m的高的粗糙度，以用于陶瓷層的最佳附著。
[0053]該處理方法也具有如下優(yōu)點(diǎn):不需要增加新的成本的工藝步驟。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0054]附圖示出:
[0055]圖1示出層系統(tǒng)，
[0056]圖2示出渦輪葉片，
[0057]圖3示出超合金列表。

【具體實(shí)施方式】
[0058]圖1示出由基底4和兩層的NiCoCrAH層7構(gòu)成的層系統(tǒng)，所述兩層的NiCoCrAH層由兩個(gè)不同的層組成10、13組成。
[0059]在外部的NiCoCrAH層13上的陶瓷的隔熱層16是可選的。
[0060]能夠使用鎳基或者鈷基超合金、特別是根據(jù)圖3的合金作為基底4。
[0061] 圖2在立體圖中示出流體機(jī)械的沿著縱軸線121延伸的轉(zhuǎn)子葉片120或?qū)蛉~片130。
[0062]所述流體機(jī)械可以是飛機(jī)的或用于發(fā)電的發(fā)電廠的燃?xì)廨啓C(jī)，也可以是蒸汽輪機(jī)或壓縮機(jī)。
[0063]葉片120、130沿著縱軸線121相繼具有:固定區(qū)域400、鄰接于固定區(qū)域的葉片平臺(tái)403以及葉身406和葉片梢部415。作為導(dǎo)向葉片130，葉片130可以在其葉片梢部415處具有另一平臺(tái)(沒有示出)。
[0064]在固定區(qū)域400中形成有用于將轉(zhuǎn)子葉片120、130固定在軸或盤上的葉片根部183(沒有示出)。葉片根部183例如構(gòu)造成錘頭形。作為揪樹形根部或燕尾形根部的其它設(shè)計(jì)方案是可行的。
[0065]葉片120、130對(duì)于流過葉身406的介質(zhì)具有迎流棱邊409和出流棱邊412。
[0066]在傳統(tǒng)葉片120、130中，在葉片120、130的所有區(qū)域400、403、406中使用例如實(shí)心的金屬材料、尤其是超合金。例如由EP I 204 776 BUEP I 306 454,EP I 319 729 Al、WO 99/67435或WO 00/44949已知這樣的超合金。在這種情況下，葉片120、130可以通過鑄造法，也可以借助定向凝固、通過鍛造法、通過銑削法或其組合來制造。
[0067]將帶有一個(gè)或多個(gè)單晶結(jié)構(gòu)的工件用作機(jī)器的在運(yùn)行中承受高的機(jī)械的、熱的和/或化學(xué)的負(fù)荷的構(gòu)件。這種單晶工件的制造例如通過由熔融物的定向凝固來進(jìn)行。在此，這涉及一種澆注法，其中液態(tài)金屬合金凝固為單晶結(jié)構(gòu)、即單晶工件，或者定向凝固。在這種情況下，枝狀晶體沿?zé)崃鞫ㄏ?，并且形成柱狀晶體的晶粒結(jié)構(gòu)(柱狀地，這就是說在工件的整個(gè)長度上分布的晶粒，并且在此根據(jù)一般的語言習(xí)慣稱為定向凝固)，或者形成單晶結(jié)構(gòu)，這就是說整個(gè)工件由唯一的晶體構(gòu)成。在這些方法中，必須避免過渡成球形(多晶的)凝固，因?yàn)橥ㄟ^非定向的生長不可避免地構(gòu)成橫向和縱向晶界，所述橫向和縱向晶界使定向凝固的或單晶的構(gòu)件的良好特性不起作用。
[0068]如果一般性地提到定向凝固組織，則是指不具有晶界或最多具有小角度晶界的單晶和確實(shí)具有沿縱向方向分布的晶界但不具有橫向晶界的柱狀晶體結(jié)構(gòu)。第二種所提到的晶體結(jié)構(gòu)也稱為定向凝固組織(direct1nally solidified structures)。由US-PS6，024，792和EP O 892 090 Al已知這樣的方法。
[0069]葉片120、130例如同樣能夠具有抗腐蝕或抗氧化的覆層(MCrAlX:M是鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)的組中的至少一種元素，X是活性元素并且代表釔(Y)和/或硅和/或至少一種稀土元素或鉿(Hf))。這樣的合金從EP O 486 489 BK EP O 786 017 BK EP O 412397 BI 或者 EP I 306 454 Al 中已知。
[0070]密度優(yōu)選地是理論密度的95%。在(作為中間層或最外層的)MCrAlX層上形成保護(hù)性氧化招層(TGO = thermal grown oxide layer (熱生長氧化層))。
[0071]優(yōu)選地，層組成具有Co-30N1-28Cr-8Al-0.6Y-0.7Si 或者Co-28N1-24Cr-10Al-0.6Y。除了這些鈷基的保護(hù)覆層之外，優(yōu)選也使用鎳基的保護(hù)層如 N1-10Cr-12Al-0.6Y-3Re 或者 N1-12Co-21Cr-llAl_0.4Y_2Re 或者N1-25Co-17Cr-10Al-0.4Y-1.5Re。
[0072]在MCrAlX上還可以有隔熱層，所述隔熱層優(yōu)選是最外層并例如由ZrO2、Y2O3-ZrO2組成，即，隔熱層通過氧化釔和/或氧化鈣和/或氧化鎂非穩(wěn)定、部分穩(wěn)定或完全穩(wěn)定。隔熱層覆蓋整個(gè)MCrAlX層。通過例如電子束氣相淀積(EB-PVD)的適當(dāng)?shù)母矊臃椒ㄔ诟魺釋又挟a(chǎn)生柱狀晶粒。其它覆層方法也是可以考慮的，例如大氣等離子噴涂(APS)、LPPS(低壓等離子噴涂)、VPS(真空等離子噴涂)或CVD(化學(xué)氣相沉積)。隔熱層可以具有多孔的、有微觀裂縫或宏觀裂縫的晶粒，用于更好地耐熱沖擊。因此，隔熱層優(yōu)選地比MCrAlX層更為多孔。
[0073]再處理(Refurbishment)意味著在使用構(gòu)件120、130之后，必要時(shí)必須將保護(hù)層從構(gòu)件120、130上去除(例如通過噴砂)。接著，去除腐蝕層和/或氧化層及腐蝕產(chǎn)物和/或氧化產(chǎn)物。必要時(shí)，還修復(fù)在構(gòu)件120、130中的裂縫。然后，進(jìn)行構(gòu)件120、130的再覆層以及構(gòu)件120、130的重新使用。
[0074]葉片120、130可以設(shè)計(jì)成空心的或?qū)嵭牡?。如果葉片120、130應(yīng)被冷卻，則葉片為空心的并且必要時(shí)還具有薄膜冷卻孔418 (由虛線表示)。
【權(quán)利要求】
1.一種層系統(tǒng)(I)，所述層系統(tǒng)至少具有: 基底⑷； 兩層的NiCoCrAH層(7)、尤其是僅兩層的NiCoCrAH層，所述兩層的NiCoCrAH層具有下方的NiCoCrAH層(10)， 其中下方的層(10)的鉻(Cr)的含量與外部的NiCoCrAlY層(13)的鉻(Cr)的含量相比更小，尤其小至少3重量％、更尤其是小至少5重量％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的層系統(tǒng)， 其中所述下方的NiCoCrAH層(10)的鈷(Co)的含量與所述外部的NiCoCrAH層(13)的鈷(Co)的含量相同或者相似，尤其其中鈷(Co)的含量相同，更尤其為22重量％至26重量％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2中一項(xiàng)或兩項(xiàng)所述的層系統(tǒng)， 其中鉻(Cr)的含量的差別為3重量％至13重量％、尤其為至少7重量％、更尤其為至少11重量％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的層系統(tǒng)， 其中所述下方的NiCoCrAH層(10)的鋁(Al)的含量與所述外部的NiCoCrAH層(13)的鋁(Al)的含量相同或者相似，尤其相同，更尤其為10.5重量％至12.0重量％。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的層系統(tǒng)， 其中所述下方的NiCoCrAH層(10)的釔(Y)的含量與所述外部的NiCoCrAH層(13)的釔(Y)的含量相同或者相似，尤其為0.2重量％至0.6重量％。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的層系統(tǒng)， 其中所述下方的NiC0CrAH層(10)具有下述組分(以重量％說明): 鈷(Co):22%至 26%、尤其是 23%至 25%， 鉻(Cr):11%M 16%、尤其是 13%, 鋁(Al):10.5%至 12.0%、尤其是 11.5%, 釔(Y):0.2%至 0.6%、尤其是 0.3%至 0.5%， 鎳， 尤其是由其構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的層系統(tǒng)， 其中所述上方的NiC0CrAH層(13)具有下述組分(以重量％說明): 鈷(Co):22%至 26%、尤其是 23%至 25%， 鉻(Cr):23%至 25%、尤其是 24%， 鋁(Al):10.5%M 12.0%、尤其是 10.5%, 釔(Y):0.2%至 0.6%、尤其是 0.3%至 0.5%， 鎳， 尤其是由其構(gòu)成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的層系統(tǒng)， 所述層系統(tǒng)在所述層(7)中不具有鉻(Cr)的含量的梯度、尤其是在所述外部的NiCoCrAH層(13)中不具有鉻(Cr)的含量的梯度、更尤其是不經(jīng)過鉻化處理的。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的層系統(tǒng)，其中熱生長氧化層在所述外部的NiC0CrAH層(13)上形成或者存在于所述外部的NiCoCrAlY 層(13)上。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的層系統(tǒng)， 其中在所述兩層的NiC0CrAH層(7)上施加有外部的陶瓷層。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的層系統(tǒng)， 其中NiCoCrAlY層(7)具有180 μ m至300 μ m的厚度。
12.根據(jù)上述權(quán)利要求中 一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的層系統(tǒng)， 其中用于所述上方的NiCoCrAH層(13)的粉末與用于所述下方的NiCoCrAH層(10)的粉末的粒度相比更粗糙、尤其是粗糙20%，使得上方的層(13)與所述下方的層(10)相比具有更大的粒度，使得尤其實(shí)現(xiàn)Ra = 9ym至14μηι的粗糙度。
13.根據(jù)上述權(quán)利要求中一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的層系統(tǒng)，所述層系統(tǒng)在層(7，10，13)中不具有錸(Re)。
14.一種合金，所述合金具有(以重量％說明): 鈷(Co):22%至 26%、尤其是 23%至 25%， 鉻(Cr):23%至 25%、尤其是 24%， 鋁(Al):10.5%M 12.0%、尤其是 10.5%, 釔(Y):0.2%至 0.6%、尤其是 0.3%至 0.5%， 鎳， 尤其是由其構(gòu)成。
【文檔編號(hào)】C23C28/02GK104169469SQ201280071489
【公開日】2014年11月26日 申請(qǐng)日期:2012年12月18日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月16日
【發(fā)明者】沃納·斯塔姆 申請(qǐng)人:西門子公司